JP2006183075A - 連続焼鈍炉の冷却帯 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度が７００〜４００℃程度の温度領域の鋼板を冷却対象とし、４５０〜２００℃程度まで冷却する連続焼鈍炉の冷却帯を、ガスジェット方式の冷却装置を直列に複数配置して構成する場合に、冷却帯出側での鋼板の冷却目標温度に対して、冷却誤差をより確実に小さくできる、温度制御が可能な鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯を提供する。
【解決手段】 この冷却帯１は、直列配置された複数のガスジェット方式の冷却装置の内の最終の冷却装置２sとして、基本的には前段側に配置した他の冷却装置２a、２bより冷却能力の低い、例えば冷却能力が５０℃〜１０℃程度の範囲で、精度よく冷却できる冷却装置を配置してなるもので、鋼板５を、最終の冷却装置２sの冷却能力の範囲まで冷却し、他の冷却装置２a、２bより冷却能が低く温度制御ステップの小さい最終の冷却装置２sで、冷却帯出側の鋼板５の冷却目標温度まで高精度（冷却誤差±５℃以下）で冷却可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスジェット方式の冷却装置を直列に複数配置した鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯に関するものである。

例えば鋼板（鋼帯）の連続焼鈍ラインは、例えばペイオフリールからの鋼帯を溶接機、洗浄設備、入側ルーパなどの入側設備を通過させた後、加熱帯、均熱帯、徐冷帯、一次冷却帯、過時効帯、二次冷却帯を有する連続焼鈍炉で連続焼鈍後、出側ルーパを経て、調質圧延機により連続的に調質圧延し、その後、検査ルーパを経て検査後、テンションリールによってコイル状に巻き取るように構成されている。
この連続焼鈍炉の一次冷却帯では、温度が７００〜４００℃程度の鋼板を、例えばガスジェット冷却方式の冷却装置により、４５０〜２００℃程度まで、所要の冷却速度で冷却しており、幅広い冷却速度を確保するために、一般には、大容量のガスジェット冷却装置を複数配置してなるものである。
これらのガスジェット冷却装置は、概念的には、特許文献１の図３、図４に開示されるような多数の突出ノズルを備えた吹き付けガス箱を、鋼板の両面に突出ノズルを向けて配置し、非酸化性の冷却ガス（例えばＨ_２富化Ｎ_２）をブロワーで圧送し突出ノズルから鋼板表面（両面）に吹き付けて鋼板を冷却するように構成されるものであり、冷却ガスの濃度（Ｈ_２濃度）、温度、流量、流速を選択することによって、冷却能力を調整することができる。

これらの各冷却装置としては、同程度の冷却能力を有するものが用いられており、大型化に伴い温度制御性が悪化（粗くなる）し、冷却帯の出側、すなわち最終冷却装置の出側で、鋼板の冷却目標温度に対して大きな冷却誤差を生じやすいという問題がある。
一般にはガスジェット方式の冷却装置で冷却する場合には、ブロワー回転数をコントロールして温度制御するが、現状レベルの大容量の冷却装置の場合では、ブロワー回転数を例えば１％変化させた場合、理論上では、その鋼板側の温度変化代は例えば５℃程度であり、この温度ステップで温度制御ができることになるが、ブロワー回転数を１％変化させる制御をしても、実際には変動があるため、１０〜１５℃程度の冷却誤差を生じることは避けられない。
この冷却帯では、鋼板の冷却目標温度に対する冷却誤差を最終的に±０〜５℃程度にする温度制御が求められるが、冷却誤差の変動が大きいため、この要請に十分に応えられないという問題がある。
特開平９−２３５６２６号公報。

本発明は、連続焼鈍炉の冷却帯を、ガスジェット方式の冷却装置を直列に複数配置して構成する場合に、上記従来の問題を解決して、冷却帯出側での鋼板の冷却目標温度に対して、冷却誤差をより確実に小さくできる温度制御が可能な鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯を提供する。

本発明は、上記の課題解決のために、以下の（１）〜（４）を要旨とする。
（１） 鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯が、直列配置された複数のガスジェット方式の冷却装置から構成され、この内の最終の冷却装置として、他の冷却装置より冷却能力の低い冷却装置を配置したことを特徴とする鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯。
他の冷却装置によって鋼板を最終の冷却装置の冷却能力の範囲まで冷却し、他の冷却装置で冷却後の鋼板を、冷却装置より冷却能力が低く温度制御ステップの小さい最終の冷却装置によって冷却帯出側の鋼板の冷却目標温度まで高精度で冷却可能にする。
（２） （１）において、最終の冷却装置が、冷却帯での鋼板の冷却目標温度＋△ｔ℃（１０℃≦△ｔ≦５０℃）から鋼板の冷却目標温度までの冷却能力を持つことを特徴とする鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯。
最終の冷却装置としては、直前の他の冷却装置で冷却帯の鋼板の冷却目標温度＋１０〜＋５０℃の範囲まで冷却された鋼板を冷却目標温度から±５℃の許容範囲になるように冷却できる微小な温度制御ステップを有する５０℃程度以下の冷却能力を有するものが適性がある。

（３） （１）または（２）において、最終の冷却装置を除く他の冷却装置の鋼板への冷却ガスの突出流速の最大値が、７０Ｎｍ／ｓｅｃ以上であることを特徴とする鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯。
最終の冷却装置の前段に配置する他の冷却装置は、鋼板の温度レベル、冷却目標温度、冷却ガス温度、冷却速度、通板速度などによって、その配置数は異なり、要求される冷却能力に幅があるが、例えば７００℃程度の高温の鋼板を、例えば２５０℃程度まで冷却できる十分な冷却能力を確保するためには、冷却ガスの突出流速の最大値が７０Ｎｍ／ｓｅｃ（冷却能力１００℃程度に相当）以上のものが適性がある。
（４） （１）〜（３）のいずれかにおいて、最終冷却装置の出側に、鋼板の温度測定装置を有し、該温度計の測定値と鋼板の冷却目標温度との偏差に応じて、鋼板の冷却目標温度＋△ｔ℃の範囲で最終の冷却装置の冷却能力を調整し、該温度計の測定値と鋼板の冷却目標鋼温度との偏差が△ｔ℃以上となった場合に、最終の冷却装置以外の他の冷却装置の冷却能力を調整する制御システムを備えたことを特徴とする鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯。
各冷却装置は、冷却能力の範囲内で冷却調整ができ、鋼板の冷却温度を調整できるものが適性がある。

本発明による鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯では、高冷却能力を確保する複数の大容量の前段側の冷却装置と、狭い温度領域で微小な温度制御ステップで冷却制御が可能な小容量（鋼板の冷却目標温度＋△ｔ℃から鋼板冷却目標温度までの冷却能力）の最終の冷却装置を配置しているため、例えば温度が７００〜４００℃程度の鋼板に対しても十分な冷却能力を確保し、例えば４５０〜２００℃の冷却目標温度まで冷却する最終段階で冷却目標温度に対する冷却誤差を±５℃程度以下に抑える冷却制御が可能である。

以下に、本発明を鋼板の連続焼鈍炉の（一次）冷却帯に適用した冷却帯について、図１〜図５に基づき具体的に説明する。
本発明の冷却帯１は、図１、図２に示すように、ここでは、前段側に配置するガスジェット方式の複数の大容量の他の冷却装置（以下「前段冷却装置」という。）２ａ、２ｂとガスジェット方式の小容量の最終の冷却装置（以下「最終冷却装置」という。）２ｓを直列配置してなるものである。
ガスジェット方式の冷却装置２ａ、２ｂ、２ｓは、いずれも、多数の突出ノズル３を備えた冷却ガス箱４を、鋼板５の両面に突出ノズル３を向けて配置し、非酸化性の冷却ガス（例えばＨ_２富化Ｎ_２ ）をブロワー６で圧送し、突出ノズル３から鋼板表面（両面）に吹き付けて鋼板５を冷却するように構成したものである。
この冷却帯１では、基本的には、例えば７００〜４００℃程度の鋼板５を、複数の前段冷却装置２ａおよび２ｂで、この冷却帯１での鋼板の冷却目標温度である４５０〜２００℃より１０〜５０℃程度高い温度まで冷却し、微小の温度制御ステップを有する最終冷却装置２ｓで、鋼板が冷却目標温度に対して±５℃程度以下の許容冷却誤差範囲の温度になるように冷却するものである。

ここで用いる最終冷却装置２ｓとしては、冷却帯１での鋼板５の冷却目標温度＋△ｔ℃（１０℃≦△ｔ≦５０℃）から鋼板の冷却目標温度までの冷却能力を有するものであり、例えば、△ｔが５０℃のとき、ブロワー６の回転数を１％変化させることにより０．５℃程度の微小な温度制御ステップを有し、冷却帯１で最終冷却段階の鋼板５を、鋼板の冷却目標温度＋１０〜５０℃程度までの範囲内で精度よく冷却調整が可能で、この冷却帯１での鋼板５の冷却目標温度に対して、±５℃程度以下の冷却誤差を安定確保できるものである。
ここで、△ｔ℃が冷却目標温度の（＋）側の△ｔ℃であるのは、最終冷却装置２ｓには、加熱機能がないため、前段の他の冷却装置で過冷却で鋼板５の温度が、冷却帯１出側での冷却目標温度以下になった場合には機能しないためである。
図３は、冷却装置の冷却能力（℃）と温度制御ステップ（℃）の関係を示したものであり、冷却能力が５０℃以下の場合に温度制御ステップを２℃以下にできることから、微小な温度制御ステップを有することが求められる最終冷却装置２ｓとしては、冷却能力は５０℃程度以下で、その範囲内で冷却調整ができるものが適性がある。

また、前段冷却装置２ａ、２ｂトータルで、例えば７００℃程度の高温の鋼板５を２５０℃程度の温度まで冷却できる冷却能力が必要な場合がある。
この条件を満足させるには、前段冷却装置２ａ、２ｂでの冷却ガスの突出流速の最大値を７０Ｎｍ／ｓｅｃ以上にする必要がある。
図４は、冷却ガスの突出流速（Ｎｍ／ｓｅｃ）と冷却能力（℃）の関係を示したものであり、冷却ガスの突出流速の最大値７０Ｎｍ／ｓｅｃ以上は、前段冷却装置２ａ、２ｂでは冷却能力１００℃以上に相当する。
冷却能力が１００℃以上の場合では、温度制御ステップが１５〜２０℃程度と大きくなるが、前段冷却装置２ａ、２ｂの冷却能力は１００℃〜３００℃程度あり、その範囲内で冷却調整ができれば、冷却能力が５０℃程度の最終冷却装置２ｓで冷却帯１での鋼板５の冷却目標温度に対する冷却誤差を許容範囲である鋼板５の冷却目標温度±５℃以下に冷却することが可能である。

冷却帯１では、前段冷却装置２ａ、２ｂにより、最終冷却装置２ｓの冷却能力の範囲の温度になるように冷却するが、実際には前段冷却装置２ａ、２ｂで冷却誤差を生じて、最終冷却装置２ｓで冷却帯１の出側での鋼板５の冷却目標温度に対する冷却誤差を許容範囲内にできない場合があり、以下のような制御システムを備えることが有効である。
すなわち、最終冷却装置２ｓの出側、すなわち冷却帯１の出側に板温計７を設け、図２に示すように、板温計７からの測温情報を制御装置８で演算処理して、該板温計の測定値と冷却帯１の出側での鋼板５の冷却目標温度との偏差△ｔ℃が、例えば＋１０℃〜＋５０℃の範囲にある場合には、冷却能力が５０℃程度以下で温度制御精度の高い最終冷却装置２ｓにより、ただちに鋼板５の冷却目標温度±５℃以下にするための冷却を行う。

ここで、該板温計７の測定値と鋼板５の冷却目標鋼温度との偏差△ｔ℃が５０℃以上となって、最終冷却装置２ｓの冷却能力を超える場合があるが、この場合には、制御装置８により、ただちに前段冷却装置２ａ、２ｂにおいて、例えば流量調整弁９の開度、ブロワー６の回転数を変更して冷却ガスの突出（吹き付け）条件を変更するなどの冷却調整を行い、最終冷却装置２ｓで冷却して冷却帯１の出側での鋼板５の冷却目標温度±５℃以下にする。
なお、板温計７ａを前段冷却装置２ａ、２ｂの出側にも配置して、最終冷却装置２ｓの冷却能力を超えた場合には、ただちに前段冷却装置２ａ、２ｂにおいて、例えば流量調整弁９の開度、ブロワー６の回転数を変更し冷却ガスの突出（吹き付け）条件を変更するなど冷却調整を早めることもでき、また、最終冷却装置２ｓでも５０℃程度以下の冷却能力の範囲内で冷却調整をすることもできる。

なお、ここで用いる冷却装置の冷却能力を決める冷却能α（Ｗ／ｍ^２Ｋ）と鋼板温度℃の関係は、理論式としては下記のように表される。
α＝２・（ρＣ_ＰｔＶ）／Ｌe・１ｎ｛（Ｔi−Ｔg）／（Ｔo−Ｔg）｝ …（１）
ここで
ρ：鋼板密度 Ｃ_Ｐ：鋼板比熱 ｔ：鋼板板厚
Ｖ：鋼板の通板速度 Ｌe：有効冷却長 Ｔi：冷却前鋼板温度
Ｔo：冷却後鋼板温度 Ｔg：冷却ガス温度
これにより、鋼板の条件から各冷却装置の必要冷却能αが決まる。また冷却能αと冷却ガス突出流速（Ｎｍ／ｓｅｃ）の間にはある関係があるため、各冷却装置の必要な突出流速が決まる。これらにより設備としての仕様を決定することができる。
図５は、実際の冷却装置での冷却ガスの突出流速（Ｎｍ／ｓｅｃ）と冷却能αとの関係を示したものであり、通常、斜線領域が実用領域である。
最終冷却装置２ｓでの冷却ガスの突出流速は５０Ｎｍ／ｓｅｃ程度であるから、２００〜４００（Ｗ／ｍ^２Ｋ）の冷却能αがあり、前段冷却装置２ａ、２ｂの冷却ガスの突出流速は７０Ｎｍ／ｓｅｃ以上であるから、３００（Ｗ／ｍ^２Ｋ）以上の冷却能αを有することになる。
冷却能αを変更する手段としては、ブロワーの回転数の他に、冷却ガスの温度の変更や、冷却装置と鋼板の距離の変更などがあり、これによって冷却調整ができる。

この実施例は、図２で示すような鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯を、温度が７００〜４００℃の厚さ０．６〜３．２ｍｍ、幅６００〜１８００ｍｍの冷薄鋼板（鋼帯）を対象とし、１５０ｍ／分で搬送中に、冷却帯の出側で４５０〜２００℃になるように冷却する、連続焼鈍炉の（一次、二次）冷却帯に適用する場合を想定した場合で、前段冷却装置２ａ、２ｂの冷却能力と最終冷却装置２ｓの冷却能力配分（好ましくない配分を含む）と、最終冷却装置の出側での冷却目標温度に対する温度偏差（冷却誤差）をシミュレーションしたものである。その結果を表１に示す。

「結果評価」
表１から、例えば以下のようなことが言える。
最終冷却装置２ｓの冷却能力を４０℃〜６０℃とした場合において、
前段冷却装置２ａ：１００℃〜２５０℃
前段冷却装置２ｂ：１００℃〜２００℃
とした場合に冷却帯１出側での鋼板の冷却目標温度に対して、１０℃以下の冷却誤差で冷却可能で、特に、最終冷却装置２ｓの冷却能力を５０℃または４０℃とした場合において、
前段冷却装置２ａ：１００℃〜１５０℃
前段冷却装置２ｂ：１００℃〜１５０℃
とした場合に冷却帯１出側での鋼板の冷却目標温度に対して、２℃以下の微小の冷却誤差で冷却できる。
なお、実施例１は、前段冷却装置は２ａ、２ｂの２基の設置を前提とし冷却能力が１００〜２５０℃の冷却装置を使用する場合で示したが、鋼板５の温度が例えば７００℃の温度領域にあり、冷却目標温度が例えば２００℃程度の温度領域で冷却温度範囲が広い場合には、例えば前段冷却装置２ａの冷却能力を２５０℃以上にしたり、前段冷却装置を３〜４基配置にし、各前段冷却装置の冷却能力を例えば１００℃程度まで下げることも考慮できる。
また、鋼板の温度が低い場合や鋼板温度と冷却目標温度が近く冷却温度範囲が狭い冷却帯用として適用する場合には、前段冷却装置は１基配置にしたり、冷却能力を１００℃程度の冷却装置を用いることも考慮できる。

この実施例２は、図２で示すような鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯を、温度が７００℃〜４００℃の厚さ０．６〜３．２ｍｍ、幅６００〜１８５０ｍｍの冷薄鋼板（鋼帯）を対象とし、１５０ｍ／分で搬送中に、冷却帯の出側で４５０〜２００℃になるように冷却する、連続焼鈍炉の各種冷却帯に適用する場合を想定し、実施例１の結果も考慮にいれて前段冷却装置２ａ、２ｂの冷却能力と最終冷却装置２ｓの冷却能力を配分（好ましくない配分例を含む）し、各冷却装置で冷却を分担させた場合の冷却帯１出側での冷却目標温度に対する温度偏差（冷却誤差）をシミュレーションしたものである。その結果を表２に示す。

「結果評価」
表２から、例えば下記（１）〜（３）のようなことが言える。
（１）前段冷却装置２ｂの出側温度が、最終冷却装置２ｓの好ましい冷却能力５０℃程度以内である場合には、いずれも鋼板の冷却目標温度に対して２℃以下の微小の冷却誤差で冷却できる。
（２）前段冷却装置２ｂの出側温度が、最終冷却装置２ｓの好ましい冷却能力５０℃程度を超える場合は、鋼板５の冷却目標温度に対して１０℃以上の冷却誤差がでやすい。
（注）この冷却誤差を小さくするための対策としては、例えば前段冷却装置２ａ、２ ｂの冷却能力を調整すること、すなわち前段冷却装置の冷却能力を大きくして最終 冷却装置２ｓの好ましい冷却能力の範囲内で冷却可能にすることが有効である。
（３）最終冷却装置２ｓの冷却能力を５０℃以上と大きくした場合には、鋼板５の冷却目標温度に対して、−（マイナス）側に１０℃以上（過冷却）の冷却誤差がでやすい。
（注）この冷却誤差を小さくするための対策としては、例えば最終冷却装置２ｓの冷 却能力を５０℃程度まで下げ、前段冷却装置２ａ、２ｂの冷却能を上げて前段冷却 装置２ａ、２ｂの出側温度を下げることが有効である。
なお、表２において、前段冷却装置２ａ、２ｂによる冷却温度が数十℃と低い冷却例もあるが、この前段冷却装置は最終冷却装置２ｓの冷却能力より大きい冷却能力を有しており、ここでは冷却調整して抑えた冷却をしている。
本発明では、適用する冷却帯の入側の鋼板温度と冷却帯出側の鋼板温度（冷却目標温度）に応じて、冷却目標温度±５℃以下に冷却するための前段冷却装置と最終冷却装置の最適な冷却能力を考慮し、その最適な配置を選択するものである。
概念的には、最終冷却装置の冷却能力を例えば５０℃程度以下にして微小な温度制御を可能にし、最終冷却装置の冷却能力より大きい冷却能力を有する前段冷却装置によって最終冷却装置の冷却能力で冷却できる範囲まで冷却するものである。
前段冷却装置による冷却が不十分で、最終冷却装置の冷却能力の範囲を超え、冷却目標温度±５℃以下の冷却ができない場合には、前段冷却装置の冷却能力を調整（冷却調整）し、最終冷却装置の冷却能力の範囲まで冷却することができる。
最終冷却装置も冷却能力の調整が可能で、例えば冷却能力５０℃以下の範囲で冷却調整ができる。
最終冷却装置の前段冷却装置ですでに冷却目標温度±５℃程度まで冷却されている場合には、最終冷却装置では冷却しないで通過させることも考慮できる。

本発明は、上記の実施例の内容に限定されるものではない。実施例１、２は、本発明を連続焼鈍炉の冷却帯に適用の場合を示したが、同様の温度領域の鋼板の他の熱処理ライン（例えば溶融メッキライン）の冷却帯としても適用が可能である。
また、各冷却装置の構造、冷却能、冷却能力条件（冷却能力配分を含む）、配置条件、冷却操業（冷却温度、冷却速度）条件については、処理対象鋼帯条件（鋼種、サイズ、温度）、設備（処理ライン）の基本条件（搬送速度を含む）、操業スケジュールなどに応じて請求項の範囲を満足する範囲内で変更のあるものである。

本発明の冷却帯を連純焼鈍炉の冷却帯として配置した場合の各冷却装置の配置例を示す側面概念説明図。 図１の冷却帯において各冷却装置の制御システムを設けた場合の側面概念説明図。 本発明で用いるガスジェット方式の冷却装置の冷却装置の冷却能力と温度制御ステップとの関係を示す説明図。 本発明で用いるガスジェット方式の冷却装置の冷却ガスの突出流速と、冷却能力との関係を示す説明図。 本発明で用いる実際のガスジェット方式の冷却装置での冷却ガスの突出流速と冷却能との関係を示す説明図。

符号の説明

１ 冷却帯 ２ａ、２ｂ 前段冷却装置
２ｓ 最終冷却装置 ３ 突出ノズル
４ 冷却ガス箱備 ５ 鋼板（鋼帯）
６ ブロワー ７、７ａ 板温計
８ 制御装置 ９ 流量調整弁

Claims (4)

1. 鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯が、直列配置された複数のガスジェット方式の冷却装置から構成され、この内の最終の冷却装置として、他の冷却装置より冷却能力の低い冷却装置を配置したことを特徴とする鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯。
2. 最終の冷却装置が、冷却帯での鋼板の冷却目標温度＋△ｔ℃（１０℃≦△ｔ≦５０℃）から鋼板の冷却目標温度までの冷却能力を持つことを特徴とする請求項１に記載の鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯。
3. 最終の冷却装置を除く他の冷却装置の鋼板への冷却ガスの突出流速の最大値が、７０Ｎｍ／ｓｅｃ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯。
4. 最終冷却装置の出側に、鋼板の温度測定装置を有し、該温度計の測定値と鋼板の冷却目標温度との偏差に応じて、鋼板の冷却目標温度＋△ｔ℃の範囲で最終の冷却装置の冷却能力を調整し、該温度計の測定値と鋼板の冷却目標鋼温度との偏差が△ｔ℃以上となった場合に、最終の冷却装置以外の他の冷却装置の冷却能力を調整する制御システムを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼板の連続焼鈍炉の冷却帯。

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